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Die
Erfindung betrifft einen Dichtungsartikel für dynamische
Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens teilweise
aus einem Elastomer und/oder einem Polymer und eine darauf angeordnete
gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere
Beschichtung, wobei das Substrat im Dichtungsbereich des Dichtungsartikels
wenigstens teilweise durch Hintereinander angeordnete Erhöhungen
strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung
nachbildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Dichtungsartikels.
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Für
dynamisch belastete Dichtungsartikel wie z. B. Wellendichtringe,
deren Aufgabe es ist, bei der Abdichtung bewegter Maschinenteile
zwei Räume, die eine gemeinsame bewegte Grenzfläche
aufweisen, den Austausch von Flüssigkeiten und/oder Gasen
zu verhindern bzw. zu minimieren, war es bisher nicht sinnvoll möglich
eine Oberflächenstrukturierung im Dichtspalt auszuführen,
da durch den Gebrauchsverschleiß dort die Struktur schnell
abgeschliffen werden würde. Oberflächenstrukturierungen
sind bisher nur als hydrodynamische Dichthilfen z. B. als Dralllippen
bekannt.
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Es
ist bekannt, dass der Verschleißfortschritt einer dynamischen
Dichtung nicht linear verläuft.
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Die 1 zeigt
einen typischen qualitativen Verlauf des Dichtungsverschleißes
einer dynamisch belasteten Dichtung (aus: „Bestimmung
und Vorhersage des Verschleißes für Auslegung
von Dichtungen"; Dissertation von Christoph Debler, Universität
Hannover, 2005).
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Dabei
bedeuten die Bezugszeichen:
- 30 – Einlaufphase
- 31 – stationäre Phase
- 32 – progressive Phase.
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Die
Figur zeigt einen typischen Verschleißverlauf mit hohem
Anfangsverschleiß in der Einlaufphase, gefolgt von geringem
Verschleiß im weiteren Verlauf (stationäre Phase)
und weiter gefolgt von sehr starkem Verschleiß (progressiver
Verschleiß), der schnell zum Funktionsverlust der Dichtung
führt. Ein derartiger Verschleißverlauf ist typisch
für dynamische Dichtungen.
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Genauere
Untersuchungen der verschlissenen Oberfläche zeigen eine
feine Oberflächenstruktur auf. Die 2 bildet
primäre und sekundäre Abrasionsspuren auf Gummi
mit Modellelement für den Verschleiß und die 3 ein
Verschleißbild einer NBR-Oberfläche (gefüllt)
ab (beide aus: „Tribology of Elastomers";
S.-W. Zhang, Editor: B. J. Briscoe, Elsevier B. V. Amsterdam, 2004).
Die jeweilige Struktur im Detail hängt von den verwendeten
Materialien ab. Derartige Strukturen erinnern auch an natürliche
Strukturen, wie bei der Haifischhaut oder dem Sahara-Sandskink. 4 stellt die Haut des Hammerhais dar,
(aus: Zentrum für Mikroskopie der Universität
Basel; Biozentrum, Pharmazenturm; Bild des Monats Juni 2007, http://pages.unibas.ch/SEM/BildMonat/b07/juni07.html)
und die 5 stellt REM-Aufnahmen eines
Sandskinks-Schuppen mit Mikrograten und Nanozacken dar. Der Abstand
der Nanograte beträgt 6 μm, der Durchmesser der
Nanozackenspitzen 40 nm (aus: „Der Sandskink der
Sahara-Vorbild für Reibungs- und Verschleißminderung";
Ingo Rechenberg und Abdullah Regabi El Khyari, Fachgebiet Bionik & Evolutionstechnik;
Technische Universität Berlin, REM-Aufnahmen: M. Zwanzig,
Fraunhofer IZM). Die Haifischhaut stellt eine strömungsgünstige
Oberfläche für Wasser dar, da sie für
eine Verringerung von Querströmungen sorgt. Technische
verwandte Oberflächen weisen eine Rillenstruktur auf (Ribletstruktur).
Die Sandskink-Oberfläche erlaubt eine verschleißarme Bewegung
im Sand.
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Aus
dem Vorbild der Natur kann man die Schlussfolgerung ziehen, dass
Oberflächenstrukturen Reibung und Verschleiß reduzieren
können, so dass sich hierdurch ein energetisch stabileres
System einstellt (stationäre Phase in 1).
Während die Natur in der Lage ist dem verbleibenden Restverschleiß z.
B. durch das Nachwachsen von Schuppen zu begegnen, ist in technischen
Systemen häufig mit dem raschen Totalausfall zu rechnen.
Die 6 zeigt Modellelemente die den
Fortschritt des Verschleißes am Elastomerdichtringen nachvollziehen,
wie sie im progressiven Verschleißbereich zu erwarten sind.
Dabei stellt die 6a ein Modellelement für
den primären, die 6b für
den sekundären und die 6c für
den tertiären Verschleiß dar (Quelle wie 2).
Entsprechendes ist bei an der Natur orientierten technischen Lösungen
zu berücksichtigen.
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Betrachtet
man dynamische Dichtungen nach dem Stand der Technik bei typischen
Einsatzbedingungen und aus typischen Materialien, so führen
die Verschleißkoeffizienten zu einem Materialabtrag bei
derartigen Wellendichtringen von einigen hundert Mikrometern nach
wenigen hundert Kilometern Gleitweg.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es einen Dichtungsartikel für
dynamische Belastungen mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Insbesondere war es das Ziel, den Gleitreibungskoeffizienten im
Einsatz zu verbessern, ohne einen zu hohen Verschleißkoeffizienten
in Kauf nehmen zu müssen. Diese Eigenschaften sollten bevorzugt
auch im Mangelschmierungsbereich, wie z. B. bei Wellen- und Gleitringdichtungen auftreten.
Zu den verbesserten Eigenschaften in diesem Zusammenhang gehören
bevorzugt darüber hinaus das Erreichen eines erhöhten
Maximum des Pressungsgradienten (Die 7 stellt
ein typisches Pressungsprofil und einen typischen Pressungsgradienten
in Abhängigkeit von der Spalthöhe für
eine Dichtlippenpressung dar, Quelle wie 1) und eine
Erweiterung des Mischreibungsgebietes, wie es z. B. durch die Stribeckkurve
(Stribeck, R.; „Die wesentlichen Eigenschaften
der Gleit- und Rollenlager"; Berlin, Springer, 1903)
darstellbar ist. Als Stribeck-Kurve bezeichnet man die überlagerte
Kurve aus abnehmender Reibung im Mischreibungsgebiet und zunehmender
Reibung im Gebiet des voll ausgebildeten hydrodynamischen Tragens
ab dem Ausklinkpunkt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Dichtungsartikel für
dynamische Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens
teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer, und eine darauf
angeordnete gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere
Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat im Dichtungsbereich
des Dichtungsartikels wenigstens teilweise durch Erhöhungen
strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung
nachbildet.
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Unter „Abrasionsstabilerer
Beschichtung” ist dabei zu verstehen, dass die Abrasion
des Dichtungsartikels mit Beschichtung gegenüber einem
Artikel ohne Beschichtung herabgesetzt ist. Dies kann der Fachmann
leicht durch Abrasionsversuche feststellen.
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Der „Dichtungsbereich” ist
dabei die Fläche oder die Flächen (bzw. der unmittelbar
darunter liegende Bereich) des Dichtungsartikels, die Teil eines
Reibpaares während des dynamischen Dichtungsvorganges ist oder
sind.
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Erhöhungen
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind keine Strukturierungen,
die so gestaltet sind, dass eine Gleitmittelförderung mittels
Mikropumpwirkung unterstützt wird, es sei denn, dass sie
in den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen vorliegen.
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Die
Erhöhungen sind erfindungsgemäß bevorzugt
bezogen auf die Richtung der dynamischen Belastung wenigstens teilweise
hintereinander angeordnet. Dabei sind eine Reihe von Mustern denkbar,
wobei der Fachmann bevorzugt darauf achten wird, dass keine direkte
(gradlinig durchgehende) Verbindung von abzudichtenden Bereichen
zur Umgebung oder zueinander gegeben ist.
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Dem
Fachmann ist unmittelbar verständlich, dass sich erfindungsgemäß die
Beschichtung wenigstens teilweise auf dem Polymer und/oder Elastomer
befindet.
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Die 8 zeigt
schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Dichtungsartikels im Zusammenspiel mit einer Fläche gegen
die abgedichtet werden soll. Dabei stellen dar:
- 1 – Raum
mit Medium höherer Viskosität (bevorzugt Oel oder
ein anderes Schmiermittel)
- 3 – Raum mit Medium geringerer Viskosität
(z. B. Luft)
- 4 – Fläche gegen die abgedichtet
werden soll
- 5 – Dichtspalt
- 7 – Bauteil mit der Fläche gegen
die abgedichtet werden soll (z. B. eine Welle)
- 9 – Volumen der Erhöhung
- 11 – Raum zwischen den Erhöhungen
- 13 – Breite der Erhöhung
- 15 – Breite des Vertiefungsmaximums
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Bevorzugt
ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, wobei
der Abstand der Erhöhungsmaxima der Strukturierung zueinander
10 bis 500 μm, bevorzugt 30 bis 300 μm, besonders
bevorzugt 50 bis 250 μm beträgt. Sofern es sich
bei den Erhöhungsmaxima um ein Plateau handelt, sind jeweils
die Abstände der äußeren sich gegenüberliegenden
Plateaugrenzen zueinander gemeint, d. h. von Plateauende der einen
Erhöhung zum Plateaubeginn der nächsten Erhöhung.
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Ebenfalls
bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel,
bei dem die Höhe der Erhöhungen 0,1–100 μm,
vorzugsweise 0,5–50 μm und weiter bevorzugt 1–30 μm
beträgt.
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Weiterhin
bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei
die Erhöhungen die Form eines gleichschenkligen oder ungleichschenkligen
Dreiecks oder eines Trapezes oder eines Trapezes mit abgerundeten Ecken
besitzen. Dabei dürfen sowohl die Dreiecke als auch die
Trapeze um Bereich ihrer Ecken deutlich abgerundet sein.
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9 stellt die Detailseitenansicht einer
Erhöhung einer Strukturierung eines erfindungsgemäßen Dichtungsartikels
dar. Dabei besitzen die Bezugszeichen 1 und 3 die
gleichen Bedeutungen wie in der 8.
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Sofern
trapezförmige Erhöhungen eingesetzt werden, sind
die Erhöhungsmaxima (und ggf. auch die Minima, also die
Vertiefungsmaxima) der Erhöhungen plateauförmig.
Bevorzugt besitzen die plateauförmigen Erhöhungen
eine Breite von 1–500 μm, bevorzugt 30–300 μm
und weiter bevorzugt von 50–250 μm und/oder ebenfalls
bevorzugt die Vertiefungsmaxima eine Breite 0,5–300 μm,
bevorzugt 20–200 μm und weiter bevorzugt von 30–150 μm.
Dabei ist oft bevorzugt, dass das Volumen der Erhöhungen
kleiner ist als das Volumen zwischen den Erhöhungen, so
dass in diesem Fall die Angaben zu den Erhöhungen und Vertiefungen
nicht unabhängig voneinander sind.
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Erfindungsgemäß ist
darüber hinaus bevorzugt ein Dichtungsartikel, wobei der
Dichtungsartikel dazu bestimmt ist, Räume mit Medien unterschiedlicher
Viskosität (1, 3) voneinander zu trennen
und die Strukturierung im Dichtungsbereich wenigstens teilweise
so ausgestaltet ist, dass der Pressungsgradient auf der dem Raum
mit Medium geringerer Viskosität zugewandten Seite geringer
ist als auf der diesem Raum abgewandten Seite.
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Die
Räume unterschiedlicher Viskosität sind dabei
häufig einerseits ein Oel bzw. ein anderes Schmiermittel
enthaltender Raum (auch als „Hochdruckseite” bezeichnet,
dieser Raum wird im Rahmen dieser Anmeldung stets als der Raum mit
Medium erhöhter Viskosität betrachtet) und andererseits
ein weiterer Raum, der z. B. Luft enthalten kann (auch als „Atmosphärenseite” bezeichnet,
im Rahmen dieser Anmeldung als Raum mit Medium mit niederer Viskosität
bezeichnet).
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Die „Pressung” ist
die Kraft pro Fläche bzw. Flächenelement, die
auf die Dichtfläche einwirkt.
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Um
einen Pressungsgradienten auf der dem Raum mit geringerer Viskosität
zugewandten Seite zu erreichen, der geringer ist als der auf der
diesem Raum abgewandten Seite im Dichtungsbereich, wird der Fachmann
eine entsprechende räumliche Gestaltung der Strukturierung
wählen. Bevorzugt wird er mit Hilfe der nachfolgenden Angaben
vorgehen:
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Strukturierung auf der dem Raum mit Medium geringerer Viskosität
zugewandten Seite ein geringeres Höhengefälle
besitzt als auf der diesem Raum abgewandten Seite, wobei das Höhengefälle
bezogen ist auf die Fläche gegen die abgedichtet werden
soll. Eine entsprechende Ausgestaltung ist für zwei Ausgestaltungsformen
aus den 9a und 9b zu
entnehmen. Dabei wählt der Fachmann den Winkel α für
den zum Raum mit Medium höherer Viskosität (nachfolgend
auch „Oelseite”) ausgerichteten Bereich der Erhöhung
gleich oder bevorzugt kleiner als den Winkel β für
den Bereich, der zum Raum mit Medium geringerer Viskosität
zugewandten Seite (nachfolgend auch „Luftseite”),
aus (vergleiche 9a und 9b).
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Bevorzugt
ist auch ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel,
wobei das Volumen des Raumes zwischen den Erhöhungen größer
oder gleich dem Volumen der Erhöhungen ist. Diese entsprechenden
Räume sind mit dem Bezugszeichen 9 und 11 in
der 8 bezeichnet.
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Die 10 stellt
qualitativ die Dichtlippenpressung für ein strukturiertes
Dichtungsprofil eines erfindungsgemäßen Dichtungsartikels
dar. Dabei haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung:
- 1 Raum
mit Medium höherer Viskosität
- 3 Raum mit Medium geringerer Viskosität
- 16 Dichtungsprofil
- 17 Pressungsprofil
- 19 Pressungsgradient
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Die 11 zeigt
einen bevorzugten Höhenlinienverlauf der Erhöhungen
der Strukturierung. Die Bezugszeichen stehen für folgendes:
- 21 Dichtflächenbereich
- 23 Verlauf des Erhöhungsmaximums (einer Erhöhung)
- 25 Drehrichtung (z. B. einer Welle)
- 27 Wellenlängsrichtung
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Überraschenderweise
stellt man bei dem erfindungsgemäßen Dichtungsartikel
(insbesondere in den bevorzugten Ausführungsformen) eine
erhebliche Reibungsreduktion fest. Dies ist deshalb überraschend,
weil bekannt ist, dass die Reibungskraft unabhängig von
der Presskraft an den Untergrund ist, welche durch die Gewichtskraft
verursacht wird. Die erfindungsgemäße Reibungsreduktion
wird daher nicht primär auf eine Reduzierung der Reibfläche
zurückgeführt, sondern insbesondere für
die Dichtung in Zusammenarbeit mit Schmiermitteln durch die Bereitstellung
eines Reservoirs (in dem sich eben auch Schmiermittel befinden kann) in
den Vertiefungen der Struktur und auf eine Optimierung des Pressungsgradientenverlaufes,
wie er aus der 10 entnehmbar ist.
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Die
erfindungsgemäß auf dem elastomeren Substrat vorgesehenen
Schichten sind teilweise aus der
WO
03/002269 bekannt. Es findet sich aber keinerlei Hinweis
auf den Einsatz der Schichten im Zusammenhang mit Elastomeren, insbesondere
nicht auf die überraschend hohe Abriebswiderstandsfähigkeit
im Zusammenhang mit elastomeren Dichtkörpern, insbesondere
solchen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.
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Bevorzugt
ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, wobei
die Beschichtung eine plasmapolymere Schicht umfasst oder aus ihr
besteht.
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Eine ”plasmapolymere
Schicht” bzw. Beschichtung ist im Rahmen dieses Textes
eine Schicht, welche mittels Plasmapolymerisation herstellbar ist.
Plasmapolymerisation ist ein Verfahren, bei dem sich gasförmige Precursoren
(oft auch Monomere genannt), angeregt durch ein Plasma, auf einem
frei wählbaren Substrat als hochvernetzte Schicht niederschlagen.
Voraussetzung für eine Plasmapolymerisation ist das Vorhandensein von kettenbildenden
Atomen wie Kohlenstoff oder Silizium im Arbeitsgas. Durch die Anregung
werden die Moleküle der gasförmigen Substanz (Precursoren),
durch den Beschuss mit Elektronen und/oder energiereichen Ionen
fragmentiert. Dabei entstehen hochangeregte radikalische oder ionische
Molekülfragmente, die miteinander im Gasraum reagieren
und auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden werden.
Auf diese abgeschiedene Schicht wirkt die elektrische Entladung
des Plasmas und dessen intensiver Ionen- und Elektronenbeschuss
fortwährend ein, so dass in der abgeschiedenen Schicht
weitere Reaktionen ausgelöst und eine hochgradige Verknüpfung
der abgeschiedenen Moleküle erzielt werden kann.
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Im
Rahmen des vorliegenden Textes umfasst der Begriff ”plasmapolymere
Schicht” auch Schichten, die mittels plasmaunterstützter
CVD (PE-CVD) hergestellt werden können. Hierbei wird zur
Reaktionsführung das Substrat zusätzlich erwärmt.
So lassen sich beispielsweise aus Silan und Sauerstoff SiO2-Beschichtungen herstellen. Ferner sei ausdrücklich
erwähnt, dass auch Atmosphärendruckplasmaverfahren
zur Herstellung erfindungsgemäß einzusetzender
plasmapolymerer Schichten verwendet werden können, wenngleich
Niederdruck-Plasmapolymerisationsverfahren derzeit bevorzugt sind.
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Im
Rahmen des vorliegenden Textes werden Substanzen, die zur Schichtbildung über
eine Plasmapolymerisation als Gas bzw. Dampf einem Plasma zugeführt
werden, als ”Monomere” (gasförmige Precursoren)
bezeichnet. Als ”flüssige Precursoren” werden
Flüssigkeiten bezeichnet, welche beispielsweise durch die Einwirkung
eines Plasmas vernetzt werden können (beispielsweise durch
hochangeregte Teilchen, Elektronen oder UV-Strahlung), ohne vorher
zu verdampfen.
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Als
Precursoren eignen sich neben siliziumorganischen Verbindungen insbesondere
auch reine Kohlenwasserstoffverbindungen zur Herstellung von DLC
(Diamond like Carbon)-Schichten bzw. a-CH-Schichten (armorphe Kohlenwasserstoff-Schichten).
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist ein Dichtungsartikel, wobei die Beschichtung eine amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht
(a-CH–Schicht) umfasst oder aus ihr besteht oder eine DLC-Beschichtung
umfasst oder aus ihr besteht.
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Eine
a-CH-Schicht zeichnet sich durch einen Anteil von ca. 20–40%
an sp3-Hybridisierung des Kohlenstoffs aus.
Allerdings lassen sich nahezu beliebige Verhältnisse zwischen
sp3 und sp2-Hybriden
einstellen und damit die Härte über weite Bereiche steuern.
Steigt in einer solchen armorphen, wasserstoffhaltigen Schicht der
sp3-Hybridenanteil an und nimmt der Wasserstoffanteil
gleichzeitig ab spricht man auch von ta-CH-Beschichtungen. (siehe 29.7 in ISBN 978-3-527-40673-9,
Low Temperature Plasmas (Vol. 2); edited by R. Hippler, H. Kersten,
M. Schmidt, K. H. Schoenbach). Eine genaue Einteilung der
DLC (Diamond like Carbon)-Schichttypen ist in der VDI-Richtlinie
2840 bzw. http://www.ist.fraunhofer.de/c-Produkte/tab/komplett.html zu
finden. (t)a-CH-Schichten sind Sonderformen von DLC-Schichten.
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Eine
a-CH-Schicht lässt sich insbesondere durch die Verwendung
von PECVD-Prozessen mit Hilfe von kohlenwasserstoffhaltigen Precursoren
wie C2H2, C2H4, C2H6 erzeugen. Weitere Informationen zu DLC-Schichten
finden sich im Diamond Films Handbook (2002).
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Die
Vorteile einer amorphen Kohlenwasserstoff-Schicht mit ihren typischen
Härten im Bereich 0,05–2000 HV liegen insbesondere
darin, dass sich der Reibwert der Schichtoberfläche beeinflussen
lässt: Durch den armorphen Aufbau sind solche Schichten
vollständig kovalent gebunden. Hierdurch besitzen sie eine
sehr geringe Adhäsionsneigung in Kontakt zu metallischen
Kontaktpartnern und sind unter tribologischen Beanspruchungen besonders
unter Misch- und Trockenreibungsbedingungen von Vorteil. Für
den Einsatz auf Elastomeren sind insbesondere a-CH-Beschichtungen
im für diese Beschichtungen unteren Härte- und Schichtdickenbereich
(Härte ≤1000 HV und Schichtdickenbereich bis 1 μm,
vorzugsweise bis 0,5 μm) interessant, da sowohl das Elastomer,
als auch eine siliziumorganische plasmapolymere Beschichtung deutlich
geringere Härten aufweisen werden. Modifikationen von a-CH-Beschichtungen
mit Si oder Si und 0 sind oft ebenfalls vorteilhaft, da sie die
Oberflächenenergie erniedrigen können.
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Bevorzugt
ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei die Beschichtung
des Substrates (gegebenenfalls einschließlich der a-CH-Beschichtung)
eine Dicke von 1 bis 10000 nm, bevorzugt 10 bis 2000 nm, weiter
bevorzugt 20 bis 1000 nm und besonders bevorzugt 50 bis 500 nm besitzt.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist jeweils ein Schichtaufbau
als Gradientenschicht oder ein Mehrschichtaufbau, bei dem die Härte
vom Substrat zur Beschichtungsoberfläche (der vom Substrat
abgewandten Seite) gesteigert wird. Für bestimmte Anwendungen
kann es dabei bevorzugt sein, dass bei einem Mehrschichtaufbau auch
Stützschichten eingebaut werden.
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Stützschichten
sind solche, die in einem Schichtaufbau für einen stabilen
mechanischen Unterbau sorgen und die eigentliche ggf. weichere Funktionsschicht
(die der Reibung direkt ausgesetzte Schicht) tragen, so dass hier
mechanische Last abgefangen und verteilt werden kann. Sie verbessern
die mechanische Stabilität von Dünnschichtsystemen.
Innerhalb der siliziumorganischen Beschichtungen wird der Fachmann
den Anteil von Si-O- und/oder Si-CH2-Si-Verbindungen
für Stützschichten erhöhen.
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Bevorzugt
ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei die Oberflächenenergie
der Beschichtung auf der vom Substrat abgewandten Seite 25–40
mN/m und/oder der Gleitreibungskoeffizient der Beschichtung im trockenen
Zustand ≤0,35, vorzugsweise ≤0,25 und weiter bevorzugt ≤0,2
beträgt.
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Bevorzugt
beträgt die Härte der Beschichtung (gemessen mittels
Nanoidentation) 0,5–15 GPa. Die Messung mittels Nanoidentation
erfolgt bevorzugt mit dem in der
WO
2009/056635 im Beispiel 2 offenbarten Verfahren.
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In
den angegebenen Parameterfeldern (Oberflächenenergie und
Härte) ist der erfindungsgemäße Artikel
besonders geeignet, für Verwendung in Systemen, wo der
zu dichtende primäre Dichtspalt ein dynamischer Dichtspalt
ist.
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Bevorzugt
weist die Beschichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit
von 0,1 bis 1,0 W/mK, bevorzugt 0,1 bis 0,2 W/mK auf.
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Bevorzugte Beispiele für das
Substrat sind
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NR
(Naturgummi), CR (Chloropren-Elastomer), IIR (Isobuten-Isopren-Elastomer),
[H]NBR [Hydriertes](Acrylnitril-Butadien-Elastomer), AU (Polyester-Urethan),
EU (Polyether-Urethan), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Elastomer),
MQ (Methylen-Silikon-Elastomer), VMQ (Vinyl-Methyl-Silikon-Elastomer),
PMQ (Phenyl-Methyl-Silikon-Elastomer), FMQ (Fluor-Methyl-Silikon-Elastomer),
FKM (Fluor-Elastomer), FEPM (Tetrafluorethylen-Propylen-Elastomer),
FFKM (Perfluor-Elastomer).
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Dem
Fachmann ist bewusst, dass die Flexibilität des Dichtungsmaterials
mit zunehmenden Vernetzungsgrad der Beschichtung und zunehmender
Beschichtungsdicke abnehmen wird. Hierdurch wird er die Dichtigkeit
beeinflussen.
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Weiterhin
kann der Fachmann die Oberflächenenergie und Härte
der Beschichtung so wählen, dass eine einwandfreie Benetzung
der Oberfläche mit den abzudichtenden Oelen bzw. Fetten
gegeben ist, so dass eine gute elastohydrodynamische Schmierung
gewährleistet ist.
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Bevorzugt
ist der erfindungsgemäße Artikel ein Radialwelldichtring,
eine Kolbendichtung, eine Stangendichtung oder eine Gleitringdichtung.
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Erfindungsgemäß bildet
die Beschichtung die Oberflächentopographie des Substrates
ab. Dies ist besonders gut möglich aufgrund der besonderen
Eigenschaften plasmapolymerer Schichten.
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Die
erfindungsgemäßen Artikel, insbesondere die bevorzugten
Ausführungsformen, besitzen eine Oberflächenenergie,
die eine flächige Benetzung mit den typischen Gleitmitteln
wie z. B. Chemieoelen, wie sie im Automobilbereich eingesetzt werden,
zu gewährleisten. Hierdurch ist ein Reibungssystem gegeben,
welches sich von einer trockenen Festkörper-Festkörper-Reibung
deutlich unterscheidet. Des Weiteren weisen die erfindungsgemäßen
Artikel, insbesondere in bevorzugten Ausführungsformen,
eine höhere Härte als das (elastomere) Substrat
auf. Die Wärmeleitfähigkeit bevorzugter erfindungsgemäßer
Schichten liegt im Bereich von 0,1 bis 1,0 W/m K und somit im Bereich
vieler Elastomere. Ihre thermische Beständigkeit kann jedoch
in den bevorzugten Ausführungsformen deutlich höher
als die der Elastomere ausgestaltet sein. Aufgrund der dreidimensionalen
Vernetzung von plasmapolymeren Schichten ist die Wärmeausdehnung
innerhalb der Schicht geringer als die von Elastomeren. Sie besitzen
darüberhinaus (abhängig von der Ausstattungsform) eine
hohe chemische Beständigkeit und quellen nicht auf.
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Bei
der geometrischen Auslegung der Dichtfläche ist bevorzugt
darauf zu achten, dass entlang der Höhenlinien der Strukturen
keine direkte Verbindung vom abzudichtenden Bereich (Oel) zur Luftseite
entsteht. Dann sind Anordnungen in Wellenlängsrichtung
untersagt, da hierdurch die statische Abdichtung nicht mehr gewährleistet
werden kann. Höhenlinien quer zur Wellenlängsrichtung
sind dagegen erlaubt, reduzieren jedoch den Reibwert nicht so stark.
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Bevorzugt
ist eine Struktur, wie sie in 11 dargestellt
ist. Dabei ist es unerheblich, ob genau der 45° Winkel
eingehalten wird oder ob die Richtungswechsel der Höhenlinie abrupt
oder langsam erfolgen. Bei der dargestellten Variante sind die geometrischen
Verhältnisse für eine Rechts- und Linksdrehung
der Welle gleich.
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Die
Anzahl der Höhenlinien nebeneinander hängen von
der notwendigen Pressungskraft ab, da hier einzelne Höhenlinien
der Struktur nicht überbeansprucht werden sollen.
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Bestandteil
der Erfindung ist auch die Verwendung einer Beschichtung wie sie
als Beschichtung für die erfindungsgemäß strukturierten
Artikel beschrieben ist, zur Verbesserung der dynamischen Belastbarkeit
eines elastomeren/polymeren Substrates.
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Bestandteil
der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtungsartikels,
umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines
Substrates bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder
einem Polymer,
- b) Strukturieren des Substrates, so dass eine Strukturierung
entsteht, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert.
- c) Beschichten des Substrates wenigstens im Bereich der in Schritt
b) erzeugten Strukturierung mit einer Beschichtung, wie in einem
der Ansprüche 1 oder 7 bis 13 definiert.
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Nachfolgend
wird anhand eines Beispieles die Wirkungsweise der Erfindung deutlich
gemacht. Das Beispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung
zu verstehen:
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Beispiel 1:
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Die
Reibungskoeffizienten wurde durch Kraftmessungen mit Hilfe von Zugversuchen
von gewogenen Stahlgewichten (Werkstoffbezeichnung: X5CrNi18-9 mit
polierter Oberfläche) auf einer ebenen Gummiplatte ermittelt.
Die Kraftmessung erfolgte in der horizontalen parallel zur Prüfplatte.
Dabei wurde zunächst der Haftreibungskoeffizient ermittelt
und anschließend die Kraft ermittelt, die notwendig war
den Prüfkörper in Bewegung zu halten, um den Gleitreibungskoeffizienten
zu bestimmen.
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Als
Versuchsmaterial wurde eine strukturierte und eine glatte NBR-Platte
der Größe 80 × 200 mm mit einer Shore
A-Härte zwischen 60 und 80 des Lieferanten Benien verwendet,
welches mit Hilfe einer wässrigen Vorreinigung (Tickopur
R30 im Ultraschallbecken) an der Oberfläche sorgfältig
gereinigt wurde. Eine Plasmaaktivierung des Substrates erfolgte
mit einer H2/N2-Mischung
von 900/200 sccm für 300 sec und 2000 W. Alle Versuche
wurden trocken ausgeführt.
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12 stellt
die Seitenansicht der strukturierten Dichtfläche aus Beispiel
1 dar. Es handelt sich um Wellenstrukturen in einer Höhe
von ca. 110 μm und einen Abstand der Höhenmaxima
von ca. 670 μm. Dabei stellt die Strecke A-B die Höhe
und die Strecke C-D den Maximalabstand dar.
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Als
Beschichtungen wurde eine plasmapolymere Beschichtung mit niedrigem
Reibungskoeffizienten ausgewählt (siehe Tabelle 1). Die
Beschichtung war haft- und wischfest auf den beiden NBR-Oberflächen.
Die Beschichtungen wurden durchgeführt in einer 1 m3-Plasmaanlage mit seitlich angebrachten
Stabelektroden (Beschreibung siehe ISBN 978-3-86727-548-4 „Aufskalierung
plasmapolymerer Beschichtungsverfahren", Seite 21–26
von Dr. Klaus Vissing). Die Substrate waren frei floated
in der Kammermitte eingebracht.
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Die
Beschichtung zeichnet sich durch eine niedrigere Oberflächenenergie
von ca. 29 mN/m aus. Sie lassen sich mit handelsüblichen
Motorenoel (Megol Motorenöl HD – C3 SAE
15W-40", Fa. Meguin) benetzen.
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In
Tabelle 2 sind die Haft- und Gleitreibungskoeffizienten jeweils
für das glatte und das strukturierte Gummimaterial mit
und ohne Oel für den beschichteten und unbeschichteten
Fall angegeben. Zusätzlich wird im Falle des strukturierten
Materials zwischen zwei Richtungen unterschieden: a.) Zugrichtung
parallel in Richtung der Rillenstruktur und b.) Zugrichtung quer
zur Richtung der Rillenstruktur.
| | Gasart | Schritt
1 | Schritt
2 | Schritt
3 | Schritt
4 | Schritt
5 | Schritt
6 | Schritt
7 |
| Gas
1 | O2 | 200 | | | 20 | 100 | 100 | 100 |
| Gas
2 | H2 | 900 | 200 | 200 | 200 | 0 | 0 | 0 |
| Gas
3 | HMDSO | | | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 |
| Leistung [W] | | 2000 | 1000 | 1000 | 1600 | 2500 | 0 | 1100 |
| Zeit
[s] | | 300 | 60 | 60 | 240 | 1100 | 60 | 1100 |
| Druck [mbar] | | 0.045 | 0,025 | 0,025 | 0,023 | 0,023 | 0,023 | 0,023 |
Tabelle
1: Plasmabeschichtungsparameter für Beispiel 1
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Die
Ergebnisse zeigen:
- • Durch die Plasmabeschichtung
wird der Gleitreibungskoeffizient im trockenen Zustand sowohl für
die strukturierte, als auch für die glatte Probe auf einen
Wert von ca. 0,19 herab gesetzt.
- • Im unbeschichteten Fall (glatte Probe) wird durch
die Zugabe einer geringen Menge von Oel bei Raumtemperatur die Gleitreibung
im Vergleich zum trockenen deutlich herab gesetzt.
- • Im unbeschichteten Fall (strukturierte Probe) wird
durch die Zugabe einer geringen Menge von Oel bei Raumtemperatur
die Gleitreibung im Vergleich zum trockenen Zustand kaum verändert.
Sie ist insgesamt geringer, als für die glatte Probe mit
Oel.
- • Tendenziell sind die Gleitreibungskoeffizienten für
die Zugrichtung quer zur Rillenstruktur niedriger, als in Richtung
der Struktur.
- • Im plasmabeschichteten Zustand ergibt sich für
die glatte Probe mit Oel ein Gleitreibungskoeffizient, der ähnlich
dem des unbeschichteten Zustandes ist.
- • Im plasmabeschichteten Zustand ergibt sich für
die strukturierten Proben mit Oel ein Gleitreibungskoeffizient,
der ähnlich dem des beschichteten Zustandes ohne Oel ist.
-
Es
zeigt sich, dass durch die Beschichtung auf der erfindungsgemäß strukturierten
Oberfläche der Gleitreibungskoeffizient auch bei Zugabe
von Oel nahezu Werte aufweist, wie sie im trockenen Zustand erreicht
werden. Diese Ergebnisse stellen eine deutliche Verbesserung zur
unstrukturierten Oberfläche dar. Durch mikroskopische Beobachtung
konnte erkannt werden, dass sich das Oel in der Rillenstruktur sammelt und
so als Schmierstoffreservoir zur Verfügung steht.
| Schicht | Oberflächenstruktur/mit bzw.
ohne Oel/in bzw. quer zur Struktur | Schichtdicke
[nm] | Gleitreibungskoeffizient |
| unbeschichtet | glatt/ohne
Oel | | 1,4 |
| unbeschichtet | glatt/mit
Oel | | 0,73 |
| unbeschichtet | strukturiert/ohne
Oel/in Richtung der Struktur | | 0,53 |
| unbeschichtet | strukturiert/ohne Oel/quer
zur Strukturrichtung | | 0,45 |
| unbeschichtet | strukturiert/mit
Oel/in Richtung der Struktur | | 0,57 |
| unbeschichtet | strukturiert/mit
Oel/quer zur Strukturrichtung | | 0,33 |
| plasmabeschichtet | glatt/ohne
Oel | 250 | 0,19 |
| plasmabeschichtet | glatt/mit
Oel | 250 | 0,62 |
| plasmabeschichtet | strukturiert/ohne
Oel/in Richtung der Struktur | 250 | 0,19 |
| plasmabeschichtet | strukturiert/ohne Oel/quer
zur Strukturrichtung | 250 | 0,19 |
| plasmabeschichtet | strukturiert/mit
Oel/in Richtung der Struktur | 250 | 0,23 |
| plasmabeschichtet | strukturiert/mit
Oel/quer zur Strukturrichtung | 250 | 0,16 |
Tabelle
2: Reibungskoeffizienten im Vergleich (Messungen bei 20°C)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 03/002269 [0031]
- - WO 2009/056635 [0044]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Bestimmung
und Vorhersage des Verschleißes für Auslegung
von Dichtungen”; Dissertation von Christoph Debler, Universität
Hannover, 2005 [0004]
- - „Tribology of Elastomers”; S.-W. Zhang,
Editor: B. J. Briscoe, Elsevier B. V. Amsterdam, 2004 [0007]
- - Zentrum für Mikroskopie der Universität
Basel; Biozentrum, Pharmazenturm; Bild des Monats Juni 2007, http://pages.unibas.ch/SEM/BildMonat/b07/juni07.html [0007]
- - „Der Sandskink der Sahara-Vorbild für Reibungs-
und Verschleißminderung”; Ingo Rechenberg und
Abdullah Regabi El Khyari, Fachgebiet Bionik & Evolutionstechnik; Technische Universität
Berlin, REM-Aufnahmen: M. Zwanzig, Fraunhofer IZM [0007]
- - Stribeck, R.; „Die wesentlichen Eigenschaften der
Gleit- und Rollenlager”; Berlin, Springer, 1903 [0010]
- - ISBN 978-3-527-40673-9, Low Temperature Plasmas (Vol. 2);
edited by R. Hippler, H. Kersten, M. Schmidt, K. H. Schoenbach [0038]
- - VDI-Richtlinie 2840 bzw. http://www.ist.fraunhofer.de/c-Produkte/tab/komplett.html [0038]
- - Diamond Films Handbook (2002) [0039]
- - ISBN 978-3-86727-548-4 „Aufskalierung plasmapolymerer
Beschichtungsverfahren”, Seite 21–26 von Dr. Klaus
Vissing [0062]
- - Megol Motorenöl HD – C3 SAE 15W-40”,
Fa. Meguin [0063]
